不同半径掺气泡对空泡动力学特性影响的研究

摘要

随着水利水电事业的发展,高坝泄洪建筑物日益增多,高速水流成为普遍关注的问题,如掺气、空化空蚀、脉动振动、消能防冲等。尤其在溢流坝、泄洪洞、溢洪道等泄洪建筑物中,当水流速度达到一定程度时,水流压强低于相应的饱和蒸汽压强,产生空化现象。空化水流由低压区流到较高压力区便会产生空蚀破坏。为了减免高速水流空化产生的空蚀破坏,经济且有效的措施是在低压空化区或在易发生空蚀部位上游设置掺气设施强迫掺气。迄今为止,人们只对空泡与空泡之间的相互作用进行过研究,而对空化区、空蚀区水流掺气后形成的掺气泡与空泡之间的相互作用的研究,尚未见有文献报导。因此,开展掺气泡与空泡相互作用的研究是非常必要的。
　　 本文从理论、数值模拟和试验方面研究了掺气条件下水流空化区、空蚀区的空化特性及粘性可压缩液体中空泡与掺气泡相互作用的控制方程,系统讨论了不同空泡初始半径和不同掺气泡初始半径对空泡泡壁脉动特性的影响。
　　 首先通过空泡与空泡运动方程的研究,建立水流空化区能量守恒方程,数值分析了不同流速下圆柱突体诱导的空化区中的空化特性。研究表明:同一流速下空泡半径随着掺气浓度的增加而减小;流速越高,掺气浓度越大,空泡半径越小。同一流速下空化数随掺气浓度的增加而增大;低流速下空化数最大值远大于高流速下空化数最大值。然后通过对水流空泡动力学的研究,建立了掺气条件下空泡溃灭时所诱导的泡周围水体压力脉冲方程,考虑了不同流速不同掺气浓度对空泡溃灭的影响,揭示了空泡在水体中的溃灭特性,数值模拟了空化数对空泡溃灭的影响规律。研究表明:空化数随着掺气浓度的增加而增加,减弱了空泡溃灭时的空蚀破坏能力;低流速下空化数随掺气浓度增加较大,高流速下空化数增加较小;流速越高,掺气浓度越低,空化数越小。
　　 其次,考虑含有一定量蒸汽的空泡和掺入一个大气压空气的掺气泡之间的相互作用,建立了球形和偏离球形的空泡与掺气泡相互作用的运动方程组模型。利用PLK摄动方法从理论上研究了可压缩性粘性液体中掺气泡对空泡运动的影响,求得了球形空泡与掺气泡速度势的一阶和二阶渐近解,进而推导出空泡与掺气泡相互作用的一阶和二阶耦合方程组,方程组体现了空泡与掺气泡相互作用对空泡生长和溃灭的影响,不仅依赖于空泡与掺气泡的初始半径,各自的泡壁速度以及空泡的含气量,还依赖于空泡与掺气泡之间的距离。
　　 最后,根据所建立的粘性可压缩液体中球形空泡与掺气泡相互作用的耦合方程组模型,通过数值模拟研究了不同半径掺气泡对空泡溃灭半径及空泡泡壁压力的影响。研究表明:掺气泡的作用使空泡溃灭的最小半径减小,溃灭时间延长,延缓了空泡的溃灭。随掺气泡初始半径的变化,空泡泡壁的最大压力先增大后减小,空泡泡壁的最大压力出现极值,此极值使空泡在压力升高区溃灭时能阻止空泡被过度压缩,减少了空蚀破坏能力,表明在掺气泡与空泡相互作用的掺气减蚀研究中掺气泡有最佳半径值,进而利用掺气泡的最佳半径值求得了掺气泡与空泡之间的最佳间距。